Productie-efficiëntie meesteren met geavanceerde simulatie-tools

Simulatie-tools maken het voor fabrikanten veel makkelijker om hun processen te optimaliseren, het gehele productiepad te visualiseren van NC metaalbewerkingssimulaties door 3D-ontwerp en fabrieksvloer-imaging. Met de huidige simulatie-tools kunnen toolpath-ontwerpers en productie-ingenieurs gemakkelijk zien precies waar NC-toolpaths zullen crashen en in staat zijn om situaties on-the-fly te fixeren, wat leidt tot immense versnelling van simulatie en verificatie van het metaalbewerkingsproces.

Enkele van de nieuwste wendingen in simulatiesystemen bevatten nieuwe mogelijkheden die worden toegepast op de opkomende additieve productieprocessen die bouwers omarmen voor rapid prototyping en additieve productie van productiecomponenten. Nieuwe NC-simulatiesoftware wordt aangepast om deze additieve processen te accommoderen, wat het veel eenvoudiger maakt om de tijd te berekenen en te simuleren die nodig is om onderdelen te bouwen in additieve laag-voor-laag-processen voor zowel prototyping als om productiemetalonderdelen te bouwen.

In meer traditionele subtractieve bewerking, blijven fabrikanten ook gefocust op een lopende trend naar het spreiden van de welvaart met hogere-eind simulatie-tools, met "democratisering" en het verspreiden van het gebruik van simulatie inclusief computer-aided engineering (CAE), typisch voornamelijk gebruikt door hoog opgeleide specialisten, door de productie-ontwerp/productieketen.

Simuleren voor Additief en Subtractief

De nieuwste NC-simulatie- en verificatie-tools inclusief Vericut van CGTech (Irvine, CA) en NCSimul van Spring Technologies (Boston) voegen additieve capaciteiten toe om processen te simuleren en verifiëren op veel dezelfde manier als ze dat doen voor traditionele bewerking.

"Additieve productie is de nieuwste trend, met steeds meer fabrikanten die deze methode in hun catalogus van capaciteiten opnemen," zei Gene Granata, CGTech productmanager voor Vericut. "CGTech werkt momenteel met technologiepartners zoals GE, Dassault Aviation, Mazak, The University of Sheffield, en Connecticut Center for Advanced Technology [CCAT] om te collaboreren en ons AM-module te cultiveren dat gepland is voor release in Vericut 8.1, later dit jaar uitkomend."

De nieuwe Vericut voegt geoptimaliseerde toolpaths toe met data gedownload uit de cloud. "Met onze nieuwste Vericut software release 8.0.2, hebben we onze Force 'physics-based' toolpath-optimalisatiemodule bijgewerkt, die nu inputwaarden direct ontvangt van cloud-gebaseerde tooling en profiteert van diverse nieuwe features die optimalisatie-setup stroomlijnen," merkte Granata op. "Door de snijcondities die door een NC-programma worden tegengekomen te micro-analyseren, zorgt Force ervoor dat NC-programma's optimale voedsnelheden en ideale spandiktes hebben die geen veilige kracht of vermogenslimieten overschrijden. Dit verbetert productiviteit immens."

Technische verbeteringen in de nieuwe Vericut omvatten meer dan 100 gebruikersverzoeken in Vericut 8.0.2 die setup stroomlijnen en gebruikerservaringen verbeteren, helpen de levensduur van tools te verlengen, en kostbare machinespindelsschade te vermijden. "Enkele specifieke verbeteringen omvatten updates binnen de Force-optimalisatiemodule, Tool Manager importeert nu meer beschikbare data over toolgebruik en -prestaties, en het Vericut Drill and Fastener [VDAF] Simulatieproduct profiteert van een bijgewerkte grafische gebruikersinterface [GUI]," voegde Granata toe. "Al deze verbeteringen zijn ontworpen om onze klanten te helpen hun NC-code zo efficiënt mogelijk te verifiëren en te optimaliseren."

Terwijl simuleren voor additief relatief nieuw is, toont het grote belofte voor productieklanten, merkte Silvere Proisy op, general manager, Spring Technologies, ontwikkelaar van NCSimul Machine en gerelateerde simulatie-aanbiedingen. "Voor additief, simuleren we de beweging van de machines en berekenen we de tijd die nodig is voor het leggen van het metaal," zei Proisy.

Spring Technologies heeft zich voornamelijk gericht op metalen additieve productieprocessen, merkte Proisy op, werkend met Tier 1 en Tier 2 leveranciers in de aerospace/defense-sector inclusief bouwers van motoren en landing gear die simulaties ontwikkelen om capaciteiten binnen het bedrijf's NCSimul-software voor deze additieve processen te benutten.

Simulatie van elk productieproces is kritiek, en met Spring's NCSimul 4CAM-software krijgen productieoperaties grote flexibiliteit op de shopfloor, zei Proisy. Een van de voordelen van NCSimul is dat gebruikers het productiesnijden of additieve proces in daadwerkelijke G-code kunnen simuleren, zei Proisy, en als er sneden of bewegingen zijn die niet gemaakt zouden moeten worden, is het gemakkelijk om terug te gaan en het proces te herbouwen. "Je hoeft het proces niet te herstarten, je kunt de simulatie 'on the fly' bewerken en dat stelt je in staat het onderdeel te herbouwen," zei hij.

Andere simulatiesoftwareleveranciers die in het additieve spel komen, omvatten software-zwaargewichten Dassault Systèmes (Parijs) en Siemens PLM Software (Plano, TX).

Dassault's instap in de AM-arena omvat het bedrijf's Additive Manufacturing Engineer, beschikbaar in zowel cloud- als on-premises-versies, dat fabrikanten in staat stelt om AM-processen voor te bereiden en te valideren. De software bespaart gebruikers tijd door het archiveren van best practices voor hergebruik, automatisch deelposities te optimaliseren, en verschillende strategieën voor het additieve proces te ontwikkelen.

De 3DExperience 2017x-release wordt gezegd ontwerp, simulatie en productie te transformeren met een veel hogere integratieniveau. Met de nieuwe Function Generative Designer-rol leveren ontwerpers de functionele specificatie (inclusief de 3D-hul, het belastingsscenario, materialen, gewichtsreductiedoelstellingen, gewenst productieproces), en een druk op de knop voert een simulatie uit en genereert de geoptimaliseerde conceptvorm. Dit stelt ontwerpers en ingenieurs in staat om te profiteren van de flexibiliteit van additieve productie, vergeleken met meer traditionele productieprocessen zoals frezen, gieten en smeden. Twee nieuwe digitale productie- en productierollen voor additieve productie definiëren en optimaliseren de opstelling en het proces voor poederbed-fusie en industriële 3D-printen, en om het laserpad te programmeren.

In januari 2017 kondigden Siemens AG (Munich) en additieve ontwikkelaar Materialise NV (Leuven, België) een partnerschap aan waaronder de bedrijven zouden collaboreren aan het integreren van Siemens PLM's NX-software met Materialise's technologieën in de AM-sector. Onder de overeenkomst integreerden de bedrijven Materialise-technologie in NX CAD/CAM/CAE-software, wat het in staat stelt om CAD-modellen nauwkeurig te ontwerpen voor poederbed-fusie en materiaal-jetting 3D-printprocessen. De resulterende software zou het proces van het bouwen van volledig 3D-geprinte onderdelen met 30% of meer versnellen, volgens de bedrijven.

De deal vertegenwoordigt een enorme sprong voorwaarts in het maken van additieve productie een mainstream productiepraktijk voor klanten, zei Zvi Feuer, senior vice president van Manufacturing Engineering Software voor Siemens PLM Software, in een statement. "Tot nu toe vereiste het additieve productieproces dat fabrikanten met twee afzonderlijke systemen werkten - één voor productontwerp, en een ander om dat ontwerp voor te bereiden voor 3D-printen," zei Feuer. "De datavertalingissues en gebrek aan associativiteit tussen deze twee systemen creëerde een proces dat tijdrovend was en vatbaar voor fouten. Door deze issues te elimineren, helpen we de adoptie van additieve productie als een universeel geaccepteerd productietool uit te breiden."

NX benut nu technologie uit de Materialise Magics 3D Print Suite, wat veelvoorkomende AM-processen voor eindonderdeelproductie mogelijk maakt, inclusief poederbed-fusie, alsook materiaal-jetting, die beloven AM's evolutie van een prototyping naar een full-scale productietechnologie verder te versnellen. De oplossing koppelt naadloos en associatief NX met Materialise-latticetechnologie, supportstruktuurontwerp, 3D-nesting, build-tray-voorbereiding, en build-processors-framework-technologie voor additieve productie. Dit elimineert datavertaling, conversies en zorgt ervoor dat wijzigingen in digitale productontwerpmodellen automatisch en associatief weerspiegeld worden in de 3D-printjobs. Het resultaat is grotere modelnauwkeurigheid, hogere kwaliteit, en een veel sneller ontwerp-naar-productieproces.

CAE Delen met de Massa's

Onder de nieuwste simulatietrends, begint bredere adoptie van CAE-tools - inclusief tools zoals computational fluid dynamics (CFD), finite element analysis (FEA), en topologie-optimalisatie - enige vooruitgang te boeken in productieoperaties, naarmate meer ingenieurs buiten CAE-specialisten de kracht van deze simulatietechnologieën benutten.

"Enkele van de trends die de productie over het algemeen beïnvloeden, weerspiegelen zich ook in simulatiesoftware. Deze omvatten additieve productie en gerelateerde simulatietechnieken, topologie-optimalisatie, en simulatie van composieten aan de productkant," merkte Ravi Shankar op, director, global simulation product marketing, Siemens PLM Software. "Additieve productie heeft ook implicaties voor de creatie van tooling voor diverse traditionele productieprocessen. Bovendien worden simulatietechnieken ook toegepast op het productieproces zoals assemblagesimulatie, roboticasimulatie, materiaalstroomsimulatie, en menssimulatie en ergonomie."

Simulatie stelt veel vroegere detectie van potentiële problemen in staat en stelt bedrijven in staat om dergelijke problemen te vermijden voordat ze zich voordoen, merkte Shankar op. "Dit beïnvloedt productiviteit direct door productiedowntime te verlagen, door snellere verwerking mogelijk te maken, door toollevensduur en -gebruik te verhogen, en door materiaalkosten te verlagen," zei hij.

Het digitaliseringsproces is essentieel voor het maken van een goed additief geproduceerd product, voegde Shankar toe. "Siemens heeft diverse initiatieven om het ontwerp, simulatie, en productie voor additieve producten te stroomlijnen," zei hij. "Deze omvatten recente innovaties voor generatief ontwerp, wat ontwerpers die NX gebruiken in staat stelt topologie-optimalisatietechnieken te gebruiken om lichte, organische vormen te creëren, deze ontwerpen te verfijnen met Convergent Modeling, en dan de productieprocessen aan te sturen. Op dezelfde manier, voor composieten, biedt Siemens oplossingen voor het optimaliseren van composietlegging, het simuleren van het drap-proces en de impact op de onderdelen, het simuleren van curing en spring-back effecten, etc."

Terwijl er vooruitgang is geboekt in de "democratisering" van CAE-tools, zoals beschreven door CAD/CAM-onderzoeker CIMdata Inc. (Ann Arbor, MI) een paar jaar geleden in zijn simulatie-onderzoek, is er nog een heel lange weg te gaan in het verder vergroten van de adoptie van dergelijke simulaties, volgens Shankar. "We zien zeker enkele bedrijven die de weg wijzen in termen van adoptie van simulatietechnologieën, maar we zien ook veel potentieel om gebruik uit te breiden en de waarde van deze technologieën naar de productie-ingenieur te brengen," voegde Shankar toe. "Simulatietechnologieën worden gebruikt voor structurele analyse, simulatie van mold-stroom en koeling, composietenproductie en andere. In de meeste gevallen worden deze nog steeds uitgevoerd door toegewijde simulatiespecialisten. Dus het is onze overtuiging dat de democratisering van CAE, hoewel gaande, nog niet zijn volle potentieel heeft bereikt."

Geoptimaliseerd Boren

Bewerken van dure corrosiebestendige materialen is extreem zwaar op boortjes, en een recent onderzoek door onderzoekers aan de Technische Universiteit Dortmund (Dortmund, Duitsland) gebruikte vloeistofstroom- en structurele analysetools van Ansys Inc. (Pittsburgh) om proces-koelvloeistofstroomverdeling te analyseren en langere toollevensduur te bereiken.

Aan de Technische Universiteit Dortmund's Institute of Machining Technology (ISF), analyseerde een onderzoeks팀 geleid door Professor Dirk Biermann methoden om de levensduur van boortjes te verlengen voor gebruik op het superalliat Inconel 718. De lage thermische geleiding van dit alliat betekent dat een grote hoeveelheid warmte moet worden getransporteerd weg van de boorzone met externe methoden, of de tool kan vervormd raken. Dit kan leiden tot slechte boorkwaliteit of breuk van het hardmetaalboortje. Relatief lage boorsnelheden onder 50 m/min worden gebruikt om temperaturen lager te houden in de snijzone, maar een vloeibare koelmiddel is nog steeds vereist. Om de koelvloeistof te richten waar het nodig is, wordt het door twee kleine kanalen binnen de land, het solide, helisch patroon van het boortje, gepompt.

Om de complexe interactie tussen de boorstructuur, de koelvloeistof en het Inconel-werkstuk te begrijpen, gebruikte het ISF-team simulatietools van Ansys voor procesoptimalisatie door een vloeistof-structuur-interactie (FSI) analyse uit te voeren. Het proces omvatte het creëren van volledige vloeistofmeshes, toen gebruikten de ingenieurs Ansys CFD computational fluid dynamics (CFD) software om de verdeling van koelmiddel door het vloeistofdomein te modelleren. Het team gebruikte ook Ansys Mechanical met een toegevoegde randvoorwaarde van de koelkrachten berekend door CFX om de FSI-analyse te voltooien. Inclusief alle verschillende CFD en Mechanical-simulaties, voltooide ISF zijn computationele analyse binnen vier weken. "Boren in een Inconel-alliat wordt zorgvuldig beheerd om snelle slijtage en schade aan machinegereedschappen te voorkomen," merkte Biermann op. "Het team wijzigde zijn koelproces om de toollevensduur met ongeveer 50% te verbeteren."

De Digitale Fabriek Valideren

Naast additieve en CAE-ontwikkelingen, is de behoefte van fabrikanten om snel fabrieksvloer-layouts te ontwerpen nooit groter geweest. Nieuwe digitale productiesimulatie-tools zoals de FastSuite Edition 2 van Cenit North America (Auburn Hills, MI) helpen fabrikanten fabriekslayouts te ontwerpen en alle productieprocessen van te voren te valideren, het proces versnellend en ontwerpen optimaliserend.

"IoT of Industry 4.0 vertegenwoordigt de radicale verandering die de fundamenten van de productievloer schudt. Digitale fabrieksoftware en 3D-tools drijven die verandering vooruit," merkte Lee Van Every op, Cenit North America senior account manager. "De digitale fabrieksoftware helpt bedrijven efficiënt in te breken in slimme productie. Tegenwoordig moet de software compatibel zijn met alle CAD-systemen en met elke fabrikant's robots en machines werken. Dit is een verplichte voorwaarde voor klantrelaties die steeds diverser en complexer worden met meer veeleisende systemen."

De huidige 3D-gebaseerde simulatiesoftware stelt visualisatie en validatie van processen en productietaken toe, merkte Van Every op. "Productieplanten worden zelden van nul opgebouwd, maar worden vaak herplant terwijl productie draait. Het hebben van virtuele fabrieken en modelplanten als een exacte weergave van de echte productiesystemen, niet alleen geometrisch en kinematisch, maar ook met betrekking tot het logische gedrag en de controle van de productie-eenheden, garandeert agile, zelf-organiserende productie-eenheden," zei hij.

"Digitale fabriek stelt implementatie van nieuwe productieprocessen, plantconcepten, en technologieën toe die te duur of zelfs onmogelijk zouden zijn zonder simulatie-gebaseerde oplossingen," voegde hij toe. "Hoewel meer robotische applicaties gebruikt worden - niet alleen voor eenvoudige handlingstaken, maar ook voor complexe productiestappen - hoe groter het voordeel van het gebruik van programmerings- en simulatietools. Software-oplossingen leiden de weg naar deze complexe applicaties, de operator het nodige programmerings- en simulatieomgeving gevend om applicaties te maken die voorheen vertegenwoordigd werden door een handmatige teach-in of niet de benodigde proceskwaliteit zouden tonen."

In plaats van een snelle layout te bouwen met 3D CAD-componenten uit de catalogus, en dan de scripts en macro's te programmeren voor het simuleren van de materiaalstroom en het gedrag van de cel, gebruikt FastSuite Edition 2 de mechatronische componenten en bronnen voor de layout-definitie en tegelijkertijd een schematische logica voor het productie-eiland definierend, volgens Van Every. "Op deze manier is gewaarborgd dat het gesimuleerde en echte gedrag overeenkomen - omdat de simulatie gebaseerd is op dezelfde logica die gebruikt wordt tijdens de PLC-programmering en dus overeenkomt met het echte systeemgedrag later."

Cenit's nieuwe FastSuite-software biedt gebruiksvriendelijke functies voor het integreren van nieuwe, project-specifieke componenten in de layout, zei Van Every. "Dit proces moet snel en gemakkelijk zijn voor gebruikers zonder programmeerkennis om te voltooien."

De software-infrastructuur is gebaseerd op open standaarden, voegde hij toe, met consistent gebruik van AML (Automation Markup Language) als beschrijvende taal voor systeemmodellen, bijvoorbeeld, wat Van Every zei veel eenvoudigere interactie met engineering-partners toestaat door gestandaardiseerde, systeem-neutrale uitwisseling van complete systeemdata of apparatuurdata, inclusief kinematische en logica-definities. Daarnaast zorgt PLC Open ervoor dat de systeemlogica aan de basis van de eerste simulatieconcepten ook later voor PLC-programmering kan worden gebruikt. De software gebruikt een gedeeld geheugen waarin de controls de simulatiedata schrijven en waaruit de 3D-visualisatie de simulatiedata leest.

"Productieprocessen als rolhemmen, dichting, hechten of schilderen vereisen een virtuele programmerings- en simulatieomgeving, zodat ze ook efficiënt bediend kunnen worden wanneer kleine batches binnenkomen of engineering-wijzigingen plaatsvinden, wat een update van nieuwe offline programma's voor de robotcellen vereist," stelde Van Every. "Dan is er nog een aspect dat het voordeel van een moderne digitale fabriek toont: Het is veel efficiënter om niet alleen de CAD-data, maar ook de metadata die geleverd wordt door engineering [zoals voor bevestigingsmiddelen] te hergebruiken in plaats van ze elke keer in productie opnieuw te definiëren."

Aan de productiekant is Line Designer een geavanceerde applicatie om layouts van productielijnen in NX-software te ontwerpen en te visualiseren, zei Siemens' Shankar. "Het geïntegreerde Siemens PLM Software-platform stelt ingenieurs in staat om de ontworpen layout gemakkelijk te associëren met productieplanning. Dus de layout ontworpen met Line Designer kan gebruikt worden om het productieproces te valideren met Tecnomatix-software voor digitale productie. Met de Process Simulate-applicatie kun je een breed scala aan robotische applicaties valideren, wat je in staat stelt complete productiesystemen te simuleren, inclusief celvalidatie en robotplaatsingsoptimalisatie. Door productieprocessen te simuleren, kun je het optimale productieproces definiëren."